Thiết kế mạch giám sát đồng hồ điện công nghiệp

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, chúng tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Ths Đỗ Bình Nguyên đã
tận tình hướng dẫn, góp ý và động viên tôi trong quá trình thực hiện đồ án nghiên cứu
khoa học.
Xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô khoa Điện-Điện tử trường đại học Lạc Hồng
cùng các bạn lớp 08DV112 đã giúp đỡ tôi trong thời gian khóa học vừa qua. Đặc biệt là
bạn Nguyễn Bá Cường đã giúp đỡ tôi hoàn thành việc thực hiện đề tài này.
Kế đó chúng tôi xin chân thành cảm ơn đến ban giám đốc của công ty TNHH Điện Điện tử Nguyên Thịnh đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực tập và thực hiện đề tài này.
Những lời cảm ơn sau cùng xin gởi đến ba mẹ đã quan tâm, tạo điều kiện để tôi
hoàn thành tốt đồ án nghiên cứu này.

Xin chân thành cảm ơn !

i


Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

i


Mục Lục
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... i
Mục Lục............................................................................................................................. ii
LIỆT KÊ HÌNH VẼ......................................................................................................... iv
LIỆT KÊ BẢNG............................................................................................................... vi
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................. vii
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU............................................................................................ 1
1.1. Đặt vấn đề................................................................................................................. 1

1.2. Mục tiêu đề tài.......................................................................................................... 2
1.3. Nội dung nghiên cứu................................................................................................ 3
1.4. Giới hạn đề tài.......................................................................................................... 3
1.5. Ý nghĩa thực tiễn....................................................................................................... 3
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................................... 4
2.1. Giao thức MODBUS – RTU..................................................................................... 4
2.1.1.................................................................................................., MODBUS là gì?
4
2.1.2........................................................., Nguyên tắc hoạt động của MODBUS RTU
5
2.1.3..................................................................................., Bản đồ bộ nhớ MODBUS.
6
2.1.4.............................................................................................., Đọc và viết dữ liệu.
7
2.1.5........................................................................................, MODBUS chế độ RTU
7
2.2. Chuẩn RS232............................................................................................................ 9
2.2.2..................................................., Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232.
9
2.2.3.........................................................................., Các mức điện áp thường truyền.
10
2.2.4..........................................................................................., Cổng RS232 trên PC.
11
ii


2.2.5....................................................................................................., Truyền dữ liệu.
12
2.2.6..................................................., Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC max232.
13

2.3. Chuẩn RS485.......................................................................................................... 13
2.3.1........................................................., Một số vấn đề liên quan đến chuẩn RS485.
14
2.3.2.............................................................., Các kiểu mẫu truyền nhận trong RS485.
19
2.4. Kỹ thuật CRC......................................................................................................... 22

ii


2.4.1...................................................................................................., Lý thuyết CRC.
23
2.4.2.................................................................................................., Thuật toán CRC.
23
2.5. Chuẩn truyền I2C.................................................................................................... 24
2.5.1........................................................................................, Các hàm thiết lập I2C.
25
2.5.2...................................................................................., Định dạng dữ liệu truyền.
26
2.5.3...................................................................................., Định dạng địa chỉ thiết bị
27
2.5.4.................................................................., Phương thức truyền dữ liệu tới Slave.
27
2.6. Đồng hồ Selec MFM – 383..................................................................................... 28
2.6.1.........................................., Giới thiệu đồng hồ tủ điện đa năng Selec MFM 383.
28
2.6.2..............................................................................................., Thông số kỹ thuật.
29
CHƢƠNG 3 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG.................................................................. 31
3.1. PIC 24FJ128GB206................................................................................................ 31

3.2. Reatime DS1302..................................................................................................... 32
3.3. MAX485................................................................................................................. 33
3.4. EEPROM 24LC256................................................................................................ 34
3.5. 74LVC1T45............................................................................................................ 35
3.6. Graphic LCD 128x64.............................................................................................. 36
3.7. 74ALVC164245/SO................................................................................................ 38
CHƢƠNG 4 : THIẾT KẾ HỆ THỐNG....................................................................... 40
4.1.1.............................................................................., Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị
40
4.1.2....................................., Sơ đồ nguyên lý khối lưu trữ và đồng hồ thời gian thực.
41
4.1.3................................................................, Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp RS485.
42

5


4.1.4..............................................................................., Sơ đồ nguyên lý khối nguồn.
43
4.2. Sơ đồ nguyên lý...................................................................................................... 43
4.3. Lưu đồ giải thuật..................................................................................................... 45
Chƣơng 5: KẾT LUẬN................................................................................................. 46
5.1. Các điểm đạt và chưa đạt được............................................................................... 46
5.1.1.............................................................................................., Các điểm đạt được.
46
5.1.2..............................................................................................., Các điểm chưa đạt.
46
5.2. Hướng phát triển đề tài........................................................................................... 46

6

Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG
NGHIỆP

LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 1.1: Mạch và phần mềm đi kèm đồng hồ MFM-383 của hãng SELEC...................1
Hình 1.2: Phần mềm EN-VIEW.......................................................................................1
Hình 1.3: Các số liệu hiển thị trên máy tính.....................................................................2
Hình 2.1: Khung tryền MODBUS....................................................................................8
Hình 2.2: Định dạng khung truyền...................................................................................8
Hình 2.3: Mức giới hạn điện áp trong chuẩn RS232......................................................10
Hình 2.4: Cổng RS232 trên PC.......................................................................................11
Hình 2.5: Mạch chuẩn giao tiếp RS232 dùng IC Max232..............................................13
Hình 2.6: Kiểu truyền cân bằng 2 dây...........................................................................15
Hình 2.7: Tín hiệu trên 2 dây của hệ thống cân bằng.....................................................15
Hình 2.8: Cặp dây xoắn trong RS485.............................................................................16
Hình 2.9: Cách xác định áp kiểu chung..........................................................................16
Hình 2.10: Truyền RS485 khi tham chiếu với đất..........................................................17
Hình 2.11: Cách đặt điện trở đầu cuối RT trong RS485.................................................18
Hình 2.12: Tín hiệu RS485 thu được tương ứng với 2 giá trị điện trở RT.....................18
Hình 2.13: Phân cực cho đường truyền RS485...............................................................19
Hình 2.14: Sơ đồ một phát, một nhận trong RS485........................................................19
Hình 2.15: Sơ đồ một phát, nhiều nhận trong RS485.....................................................20
Hình 2.16: Sơ đồ sử dụng 2 bộ truyền nhận trong RS485..............................................20
Hình 2.17: Sơ đồ sử dụng nhiều bộ truyền nhận trong RS485........................................21

Hình 2.18: Đoạn dây rẽ nhánh trong RS485...................................................................21
Hình 2.19: Một dạng kết nối đường truyền RS485 hợp lí...............................................22
Hình 2.20: Biểu đồ truyền một mã ASCII theo chuẩn RS485........................................22
Hình 2.21: START và STOP...........................................................................................26
Hình 2.22: Gửi bit định địa chỉ Slave.............................................................................27
Hình 2.23: Khung truyền I2C.........................................................................................28
Hình 2.24: Đồng hồ tủ điện đo đa năng SELEC MFM-383............................................28


Đề Tài: THIẾT KẾ MẠCH GIÁM SÁT ĐỒNG HỒ ĐIỆN CÔNG
NGHIỆP


Hình 2.25: Sơ đồ kết nối đồng hồ với điện áp 3 pha.......................................................30
Hình 2.26: Sơ đồ kết nối đồng hồ với điện áp 1 pha.......................................................30
Hình 3.1: PIC24FJ28GB206...........................................................................................31
Hình 3.2: Reatime DS1302.............................................................................................32
Hình 3.3: Max485...........................................................................................................33
Hình 3.4: EEPROM 24LC256........................................................................................34
Hình 3.5: 74LV1T45.......................................................................................................35
Hình 3.6: Graphic LCD 128x64......................................................................................36
Hình 3.7: 74LVC164245/SO..........................................................................................37
Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch thiết kế................................................................................39
Hình 4.2: Khối hiển thị...................................................................................................39
Hình 4.3: Khối lưu dữ liệu và Reatime...........................................................................40
Hình 4.4: Khối RS485....................................................................................................41
Hình 4.5: Khối nguồn.....................................................................................................42

LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1: Bảng mã chức năng..........................................................................................6
Bảng 2.2: Địa chỉ bộ nhớ..................................................................................................6
Bảng 2.3: Bảng tóm tắt thông số của RS485..................................................................14
Bảng 3.1: Chân và chức năng chân của DS1302............................................................33
Bảng 3.2: Chân và chức năng các chân của MAX485....................................................33
Bảng 3.3: Chân và chức năng các chân của EEPROM 24LC256...................................34
Bảng 3.4: Điều kiện để xác định input/output 74LV1T45..............................................35
Bảng 3.5: Chân và chức năng các chân của 74LV1T45..................................................35
Bảng 3.6: Chân và chức năng các chân của GRAPHIC LCD.........................................36
Bảng 3.7: Chân và chức năng các chân của 74LV164245/SO........................................37
Bảng 3.8: Điều kiện để xác định input/output 74LV164245/SO.....................................37



LỜI NÓI ĐẦU
Các công ty, xí nghiệp lớn và trung bình dù sản xuất mặt hàng nào cũng đều sử dụng
các đồng hồ điện công nghiệp để kiểm soát lượng điện sử dụng. Các đồng hồ điện sẽ
được đặt tại các phân xưởng và giá trị điện của đồng hồ sẽ được đưa về phòng giám sát
để dễ dàng cho việc kiểm tra. Ngày nay, hãng Selec đã sản xuất ra Đồng hồ tủ điện đa
năng MFM-383, đi kèm đồng hồ là module giao tiếp giữa đồng hồ và máy tính. Module
này có giá thành cao nên tôi đã quyết định nghiên cứu và thiết kế ra mạch điện thay thế
có giá thành rẻ hơn mà vẫn đáp ứng được các ứng dụng như của Selec đưa ra. Đề tài
của tôi đã được công ty TNHH Điện - Điện tử Nguyên Thịnh chấp thuận và cho tiến
hành nghiên cứu thử nghiệm tại công ty.
Trong quá trình thực hiện đề tài, do trình độ hiểu biết còn nhiều hạn chế nên đề tài còn

nhiều thiếu sót mong được sự góp ý của các thầy trong khoa. Tôi xin gửi lời cám ơn đến
các thầy trong khoa đã luôn giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường đặc biệt là
thầy Th.s Đỗ Bình Nguyên đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi xin
chân thành cảm ơn.

vii


vii


CHƢƠNG 1:
GIỚI THIỆU
1.1. Đặt vấn
đề.
Ngày nay đồng hồ đo điện năng cơ đã được thay thế bằng đồng hồ đo điện năng số.
Đồng hồ MFM-383 là đồng hồ đo điện số do hãng Selec sản xuất.

Hình 1.1: Mạch và phần mềm đi kèm đồng hồ MFM-383 của hãng SELEC.
Đi kèm đồng hồ là mạch giao tiếp đồng hồ và máy tính, phần mềm chuyên dụng
EN- VIEW giúp người sử dụng kiểm tra và điều khiển trực tiếp ngay trên máy tính.

Hình 1.2 : Phần mềm EN-VIEW.
Trang 15


Phần mềm EN-VIEW là phần mềm hỗ trợ trên máy tính để thiết lập cho đồng hồ cũng
như lấy số liệu từ đồng hồ về máy tính để giám sát. Phần mềm có các tính năng: hiển thị

Trang 16

số liệu từ đồng hồ về máy tính và cập nhật số liệu liên tục, mô phỏng giao diện đồng hồ
đồng hồ trên máy tính, hỗ trợ vẽ biểu đồ dạng sóng, số liệu cũ được lưu dưới dạng file
excel.

Hình 1.3: Các số liệu hiển thị trên máy tính.
Tuy có nhiều tính năng nhưng nhà sử dụng phải mất một khoản vốn đầu tư khá lớn
ban đầu. Vì vậy cần phải thiết kế một mạch điện tử sao cho vẫn đảm bảo được các tính
năng như cũ nhưng giảm chi phí đầu tư.
1.2. Mục tiêu đề tài.
Dựa trên những tìm hiểu về sản phẩm đồng hồ của hãng Selec, tôi đã quyết định thiết
kế một mạch điện có thể thay thế được máy tính và mạch giao tiếp giữa đồng hồ với máy
tính. Tôi đặt ra các mục tiêu khi nghiên cứu thiết kế mạch điện thay thế như sau:
• Giao tiếp được với đồng hồ MFM-383 của hãng Selec.
• Chạy ổn định, độ trễ thấp.
• Số liệu nhận được hiển thị ngay trên mạch.
• Mạch lưu trữ được dữ liệu trong thời gian dài và cập nhập dữ liệu mới chính xác,
nhanh chóng.
• Giá thành rẻ.



1.3. Nội dung nghiên cứu.
Đề tài nghiên cứu những vấn đề sau:
• Giao thức Modbus – RTU.
• Chuẩn giao tiếp RS485.
• Chuẩn giao tiếp RS232.
• Kỹ thuật CRC.
• Giao thức TCP/IP, Enthernet.

• Đồng hồ SELEC MFM-383.
• Vi điều khiển PIC24FJ128GB206 và các module tích hợp sẵn trong vi điều khiển
PIC24FJ128GB206.
• GRAPHIC LCD.
1.4. Giới hạn đề tài.
Do thời gian nghiên cứu hạn chế nên chúng tôi chỉ giới hạn đề tài trong phạm vi thu
thập và kiểm soát số liệu lấy từ đồng hồ điện. Chưa triển khai được phần lưu số liệu đồng
hồ trên mạch và truyền lên máy tính theo chuẩn Ethernet.
1.5. Ý nghĩa thực tiễn.
Đề tài giải quyết được yêu cầu thực tiễn đặt ra là giao tiếp được với đồng hồ MFM383 của hãng Selec và hiển thị các số liệu ngay trên mạch nên có thể thay thế được máy
tính. Mạch đạt được các ưu điểm khi ứng dụng vào thực tế là chạy ổn định trong môi
trường công nghiệp, độ trễ thấp, giá thành rẻ.



CHƢƠNG 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Giao thức MODBUS – RTU.
2.1.1, MODBUS là gì?
MODBUS do Modicon (hiện nay thuộc Schneider Electric) phát triển năm 1979, là
một phương tiện truyền thông với nhiều thiết bị thông qua một cặp dây xoắn đơn. Ban
đầu, nó hoạt động trên RS232, nhưng sau đó nó sử dụng cho cả RS485 để đạt tốc độ cao
hơn, khoảng cách dài hơn và nhiều slave trên một bus truyền. MODBUS đã nhanh chóng
trở thành tiêu chuẩn thông dụng trong ngành tự động hóa.
MODBUS là một hệ thống “Master - Slave”, Master được kết nối với một hay nhiều
Slave. Master thường là một PLC, PC, DCS, hay RTU. Slave MODBUS RTU thường là
các thiết bị hiện trường. Khi một Master MODBUS RTU muốn có thông tin từ thiết bị
Slave, Master sẽ gửi một thông điệp về dữ liệu cần, tóm tắt dò lỗi tới địa chỉ thiết bị Slave.
Mọi thiết bị khác trên mạng sẽ nhận thông điệp này nhưng chỉ có thiết bị nào được chỉ
định mới có phản ứng. Các thiết bị Slave trên mạng MODBUS không thể tạo ra kết nối,

chúng chỉ có thể phản ứng. Nói cách khác, Slave sẽ gửi data về cho Master chỉ khi Master
có yêu cầu.
Ba phiên bản MODBUS phổ biến nhất được sử dụng ngày nay là:
• MODBUS ASCII.
• MODBUS RTU.
• MODBUS/TCP.
Tất cả thông điệp được gửi dưới cùng một format. Sự khác nhau duy nhất giữa 3 loại
MODBUS là cách thức thông điệp được mã hóa. Với MODBUS ASCII, mọi thông điệp
được mã hóa bằng hexadecimal, sử dụng đặc tính ASCII 4 bit. Đối với mỗi một byte
thông tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với MODBUS RTU hay MODBUS/TCP.
MODBUS ASCII chậm nhất trong 3 giao thức trên, nhưng lại thích hợp với modem điện
thoại hay kết nối sử dụng sóng radio do ASCII sử dụng các tính năng phân định thông
điệp. Do tính năng phân định này, mọi rắc rối trong phương tiện truyền dẫn sẽ không làm
thiết bị nhận dịch sai thông tin. Điều này quan trọng khi đề cập đến các modem chậm,



điện thoại di động, kết nối ồn hay các phương tiện truyền thông khó tính khác. Đối với
MODBUS-RTU, dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân và chỉ cần một byte truyền thông
cho một byte dữ liệu. Đây là thiết bị lí tưởng đối với RS232 hay mạng RS485 đa điểm,
tốc độ baud từ 1200 đến 115.200. Tốc độ baud phổ biến nhất là 9600 đến 19200.
MODBUS-RTU là giao thức công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất. MODBUS/TCP
đơn giản là MODBUS qua Ethernet. Thiết bị Master không kết nối trực tiếp với các thiết
bị Slave, thay vào đó các địa chỉ IP được sử dụng. Với MODBUS/TCP, dữ liệu
MODBUS được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP. Do đó, bất cứ mạng Ethernet
hỗ trợ MODBUS/IP sẽ có hỗ trợ MODBUS/TCP.
2.1.2

, Nguyên tắc hoạt động của MODBUS RTU.

Để kết nối với Slave, Master sẽ gửi một thông điệp bao gồm các trường dữ liệu sau:
• Địa chỉ thiết bị: là một con số từ 0 đến 247. Thông điệp được gửi tới địa chỉ 0
(truyền thông điệp) có thể được tất cả các thiết bị Slave chấp nhận, nhưng các
con số từ 1-247 là các địa chỉ của các thiết bị cụ thể. Một Slave luôn phản
ứng với một thông điệp MODBUS do đó Master sẽ biết rằng thông điệp đã
được nhận.
• Mã chức năng: dùng để xác định yêu cầu mà Master yêu cầu Slave thực hiện
như đọc dữ liệu, chấp nhận dữ liệu, thông báo trạng thái .v.v… Mã chức năng
là từ 1 – 255. Một số mã chức năng còn có các mã chức năng phụ.
• Dữ liệu: để xác định địa chỉ trong bộ nhớ thiết bị hay chứa các giá trị dữ liệu
được viết trong bộ nhớ thiết bị hay chứa các thông tin cần thiết khác mang
chức năng như yêu cầu.
• Giá trị kiểm tra lỗi (CRC): là giá trị 16 bit dùng để kiểm tra lỗi trong quá
trình truyền nhận. CRC được Master tạo ra và thiết bị tiếp nhận kiểm tra.
Nếu giá trị CRC không thỏa mãn, thiết bị đòi hỏi truyền lại thông điệp này.
Khi Slave thực hiện các chức năng theo yêu cầu, nó sẽ gửi thông điệp cho Master.
Thông điệp chứa địa chỉ của Slave và mã chức năng, dữ liệu theo yêu cầu, và một giá trị
kiểm tra lỗi.



Bảng 2.1: Bảng mã chức năng
Yêu cầu

Mã chức năng

01

Đọc cuộn cảm

02

Đọc đầu ra rời rạc

03

Đọc bộ ghi phần

04

Đọc bộ ghi đầu vào

05

Viết cuộn cảm đơn

06

Viết bộ ghi đơn

07

Đọc trạng thái ngoại lệ

08

Chẩn đoán

…
Xx

255 mã chức năng, phụ
thuộc vào thiết bị

2.1.3

, Bản đồ bộ nhớ MODBUS.

Mỗi thiết bị MODBUS có bộ nhớ chứa dữ liệu quá trình. Thông số kỹ thuật của
MODBUS chỉ ra cách dữ liệu được gọi ra như thế nào?, loại dữ liệu nào có thể được gọi
ra?. Tuy nhiên, không đặt ra giới hạn về cách thức và vị trí mà nhà cung cấp đặt dữ liệu
trong bộ nhớ.
Các đầu vào và cuộn cảm rời rạc có giá trị 1 bit, mỗi một thiết bị lại có một địa chỉ
cụ thể. Các đầu vào analog (bộ ghi đầu vào) được lưu trong bộ ghi 16 bit. Bằng cách sử
dụng hai bộ ghi này, MODBUS có thể hỗ trợ format điểm floating (nổi) IEEE 32 bit. Bộ
ghi Holding cũng sử dụng các bộ ghi bên trong 16 bit hỗ trợ điểm floating.
Dữ liệu trong bộ nhớ được xác định trong thông số kỹ thuật MODBUS. Giả sử rằng
nhà cung cấp tuân theo tiêu chuẩn kỹ thuật MODBUS (không phải tất cả), mọi dữ liệu có
thể được truy cập dễ dàng bởi Master, thiết bị Slave tuân theo các thông số kỹ thuật.
Trong nhiều trường hợp, nhà cung cấp thiết bị công bố vị trí của bộ nhớ, tạo điều kiện cho
nhân viên lập trình dễ dàng để kết nối với thiết bị tớ.